深埋隧道精细地应力场反演研究——以滇西南双江至沧源高速姜染山隧道为例

针对复杂地质条件下深埋隧道精细应力场准确反演以及主要地质条件对地应力场影响问题,以滇西南双江至沧源高速姜染山隧道为例开展研究。采用精细DEM数据、实测地质资料建立隧址区精细地质模型,以地应力实测数据和GPS速度场数据作为联合约束条件,开展姜染山隧道工程区精细地应力场反演计算,揭示了隧址区精细应力场特征及主要地质条件影响作用。结果表明：隧道区模拟变形速度场与GPS观测结果基本一致,模型能够较好反映工程区现今构造应力环境;隧址区地应力场存在应力水平西高东低、主应力方向局部偏转的特征,近E-W向的小黑江断裂对研究区地应力场的影响主要表现为造成主应力方向小幅偏转,未造成应力量值急剧变化,局部次级断裂和地形叠加影响作用有限;隧道沿线最大主应力在7.47～27.23 MPa之间,中间主应力在1.59～15.12 MPa之间,最小主应力在0.01～6.71 MPa之间,隧道沿线应力水平总体上未表现出明显异常特征;基于反演精细应力场数据的岩石应力强度比方法计算结果显示,现今地应力条件下,隧道岩石强度应力比结果总体在0.20～0.48之间,表明隧道围岩整体为无岩爆和轻微岩爆情况。本研究实例表明,复杂地质...     

冻融循环对寒区隧道结构冻胀力的影响

为了更全面的了解冻融循环和冻胀力作用对隧道的结构影响, 以内蒙古寒区公路隧道的304国道阿拉坦公路隧道为依托, 采用弹性力学方法计算阿拉坦隧道承受的冻胀力.采用大型有限元模拟软件ANSYS对隧道断面进行温度场-应力场的耦合分析, 计算了工程50 a冻融循环后隧道断面的冻胀力, 并对比分析了弹性力学方法和现场测试结果.结果表明: 理论及数值模拟计算的结果之间能够较为近似的相互印证, 可以通过对隧道冻胀力的理论及数值模拟计算结果的比对, 及时了解隧道运营期间结构受力性状的变化情况, 来判断隧道结构的安全度和可靠度.     

偏压隧道的稳定性研究

地表倾角不同是隧道形成偏压的一种原因。由于地表不对称,隧道两侧受力状况不同,从而容易对隧道衬砌产生破坏。采用有限元分析方法研究了不同地表倾角、隧道周围变形过程及隧道锚杆和塑性区分布特征,得出了以下结论：隧道围岩变形随着地表倾角增大而增大,隧道深埋侧变形大和锚杆轴力大;隧道在地表倾角＞30°时,受地形偏压影响明显,深埋侧塑性区扩大。这些研究可为受地形偏压的隧道设计提供一定的理论依据及施工建议。     

深隧道围岩稳定性的数值模拟与模型试验研究

在大型真三轴模型试验机上进行隧道的超载试验,试验过程中采用内窥摄影实时监测试件的破坏演化全过程,确定了高应力条件下隧道的变形特征和裂纹演化特征;采用应变测量技术对隧道关键部位的应变值进行了测量,据此分析了围岩体的应力变化规律。针对相似材料的力学特性,建立了应变软化模型,采用与模型试验相同的边界条件进行了数值模拟分析,对围岩体的塑性应变变化过程和应力场进行了研究。结果表明,两种手段反映的破坏演化过程是基本吻合的,所反映的围岩体应力变化规律也是一致的。     

侧压力系数对马蹄形隧道损伤破坏的影响研究

数值模拟研究了马蹄形隧道在不同载荷下从围岩初始损伤至失稳破坏的破坏过程,分析了侧压力系数 对隧道的初始损伤、拱顶位移、围岩应力分布特征和围岩损伤破坏模式的影响,研究结果表明,损伤机制与 密切相关,当 较小时,在空间上初始损伤分布具有较大的离散性,以拱脚、拱肩和拱顶位置为主;当 较大时,初始损伤以拱顶的拉伸损伤位置为主;拱顶垂直方向的位移随 的增大而减小,且随埋深的增加而增大;隧道围岩的最大和最小主应力随 的增大而增大,隧道围岩应力分布和应力集中程度受隧道形状的影响显著,在一定范围内,隧道形状比离自由面的距离作用机制更为强烈;在破裂模式上,当 较小时,裂纹以垂直方向开裂为主,随着 的增大转变为以水平方向开裂为主。     

深埋顺层偏压隧道围岩破坏机理及规律研究——以郑万线某隧道为例

处于薄—中层倾斜层状岩体中的深埋隧道常会产生地质顺层偏压的问题,导致隧道局部塌方、偏压变形及支护结构破坏。本文以郑万线某隧道为例,采用理论分析、数值模拟方法对深埋顺层隧道的破坏机理及不同结构面参数下的破坏规律展开了研究。研究结果表明：（1）深埋顺层偏压隧道洞周围岩将根据其切向应力与结构面夹角的不同发生岩层拉裂破坏、结构面剪切破坏及岩体自身破坏,其中切向应力与结构面平行位置,即反倾侧拱腰及顺倾侧拱脚位置主要发生拉裂破坏,此处围岩塑性区范围最广,围岩位移最大,围岩处于极不稳定状态;（2）顺层偏压隧道的破坏规律与结构面强度参数有直接关系,围岩塑性区范围及围岩位移均随着结构面摩擦角的增大而降低,且降低趋势逐渐放缓,当结构面摩擦角达到岩体摩擦角后,结构面摩擦角继续增加对围岩稳定性影响较小;（3）围岩塑性区及围岩位移场偏压分布特征随结构面倾角的变化而整体旋转,且对于隧道底部而言,结构面最不利倾角为0°,此时隧底最大上鼓量大于其他倾角下的最大上鼓量;对于隧道拱部而言,最不利倾角为40°,此时洞周最大收敛值大于其他倾角下的最大收敛值,最不利位置位于反倾侧拱腰。     

京承高速公路新道沟连拱隧道的优化设计

本文以京承高速公路新道沟连拱隧道为实例,应用有限元数值方法对连拱隧道二次衬砌的围岩抗力、应力、变形及其稳定性等问题进行了模拟与分析。首先,基于连拱衬砌的结构型式,作者建立了该隧道的数值模型,并提出用弹性杆单元按作用力等效的原则模拟围岩抗力;根据数值模拟结果对隧道支护结构的承载能力进行了讨论,并基于规范对二次衬砌进行了结构强度校核。该研究结果为新道沟隧道支护结构设计的优化提供了科学依据。     

高寒山区季节冻土冻融特征参数变化及其影响因素——以天山南坡为例

季节冻土在高寒山区广泛分布,其冻融过程会对水文水资源和生态环境产生深刻影响。研究气候变化背景下高寒山区季节冻土冻融特征参数变化及影响机理,可为高寒山区水资源管理和生态保护提供科学依据。本文选择天山南坡作为研究区,基于13个气象站点1958年以来季节冻土冻融参数(最大冻深、冻结期、始冻日、解冻日)、气温、地表温度、降雨和积雪等数据,使用空间分析和多元线性回归统计等方法对冻融参数的时空变化特征进行分析,量化不同气候因素对季节冻土冻融变化的影响权重。结果表明,季节冻土最大冻深在(48.5±11.4)～(96.8±8.5) cm之间,冻结天数在(102±10)～(141±14) d之间,多年平均始冻日在11月7日至19日之间,多年平均解冻日在3月1日至28日之间。1950年代至2010年代期间,始冻日逐渐推迟,解冻日逐渐提前,冻结天数缩短。空间分布上,最大冻深有“海拔高,最大冻深大”的规律;空间变化趋势上,最大冻深在研究区中部显著增加;冻结天数在研究区内大范围显著缩短。季节冻土冻融变化与气温相关性最强,温度(气温和地表温度)是季节冻土冻融变化的主导因子。定量评价发现,气温影响占比(24.1±3...     

复杂环境下浅埋暗挖隧道穿越薄富含水层冻结温度场研究

提出了南京地铁2号线新街口－上海路隧道穿越薄富含水层冻结法止水加固方案,利用ADINA有限元软件对该浅埋暗挖隧道涌水段建立冻结温度场数值模型,分析了冻结管间距、冻结盐水温度、冻结管直径对冻结壁发展速率、冻结壁厚度、平均温度的影响,以此为基础对冻结参数开展优化设计,并获得成功应用。研究结果表明：利用人工冻结技术能够有效解决这一特殊岩土工程难题。为了在支护段获得有效地止水冻土帷幕,冻结管间距应小于等于1 m;冻结工程中采取-30℃的盐水温度既能满足需冷量,又能符合经济性要求;采取大直径的冻结管对增加冻土墙厚度与降低冻土壁平均温度的影响并不显著。     

深埋隧道围岩-支护结构稳定性研究

依据隧址区工程地质特征,建立通-渝深埋公路隧道1:1实体模型。通过有限元数值模拟,结合量测资料,分析了隧道按全断面法和台阶法动态施工过程围岩-支护结构屈服接近度、位移和应力特征,以及支护结构钢支撑受力、二次衬砌轴力和弯矩特征。结果表明,在相同的地质条件和支护条件下,台阶法较全断面法没有明显的优势,为深埋公路隧道优化设计和施工提供了科学依据。     

广州某地铁人工冻结法施工热力分析

以广州某地铁采用人工冻结法施工为例,考虑相变和衬砌水泥水化热的生成,根据带相变瞬态温度场的热量控制微分方程,采用伽辽金法推导出的有限元计算公式计算分析了此地铁人工冻结施工过程中的温度场分布规律.并根据温度场的分布特点,确定了开挖时的人工冻结壁厚度.最后,对冻结壁和其周围土体分别应用不同的力学本构模型进行施工过程的力学模拟.结果表明,采用人工冻结法作为一种辅助的施工方法,不但能满足施工过程中结构的强度要求,而且能满足环境沉降量的要求.     

季节性寒区隧道温度场数值分析

为解决寒区隧道冻害问题,以祁连山某隧道为依托,采用ANSYS对铺设保温层与主动辅热相结合的隧道温度场进行了数值模拟,研究了保温层对隧道衬砌的保温效果以及安装电伴热系统后隧道的温度场分布规律,确定了电伴热系统的开启与关闭时间及正常运行功率。结果表明：围岩最大冻深月份比外界大气的最冷时间推迟一个月左右;在隧道大约运行5 a之后,保温层的保温效果开始衰退,围岩重新出现负温状态;安装电伴热系统能彻底解决寒区隧道运营期间的冻害问题,最佳发热功率为125 W·m^-2,持续加热时间为80 d,年消耗电能为10 000 W·d·m^-2,数值模拟结果与理论计算结果吻合良好。研究成果可为寒区隧道的保温防冻提供理论依据,并可为类似工程提供借鉴。     

青藏高原季节冻土区土壤冻融过程水热耦合特征

青藏高原被誉为“中华水塔”, 其广泛分布的多年冻土和季节冻土在保证我国水资源安全上具有重要的地位。基于2015年7月 - 2016年6月青海海北站季节冻土的水热监测数据（土壤含水量为未冻水含量）, 分析了冻结深度的季节变化和冻融过程水热运移特征。结果表明： 各土层土壤温度与土壤水分含量变化均表现为“U”型。土壤温度变化规律与日平均气温基本一致, 但滞后于日平均气温的变化, 滞后时间取决于土层深度。与多年冻土冻融规律不同, 海北站季节冻土表现为单向冻结、 双向融化特征, 冻融过程大致可划分为三个阶段： 冻结初期、 冻结稳定期和融化期。同时, 季节冻土消融速率大于冻结速率, 且融化过程中以浅层土壤融化为主。在冻结过程中, 土壤水分沿上、 下两个方向分别向冻结锋面迁移, 各土层土壤含水量迅速下降。而在融化过程中, 各土层土壤含水量逐渐增加, 且在浅层土壤形成一个土壤水分的高值区。土壤冻融过程中未冻水含量与各土层土壤温度具有较好的相关关系, 且浅层土壤拟合效果优于深层土壤。本研究对揭示高原关键水文过程以及寒区水热耦合模型构建具有重要意义。     

季节冻土区基床改性填料与保温护坡对路基温度场的影响分析

高速铁路对轨道平顺性具有非常高的要求,在季节冻土区建设的铁路面临着路基冻胀问题,由路基冻胀引起的轨道变形严重影响了高速铁路运行的安全性与舒适性.通过对比其他学者关于路基冻胀的处理与防治方法,提出了采用水泥稳定级配碎石代替普通级配碎石作为基床表层填料,同时在路基边坡铺设保温护坡的方法来防治路基冻胀.根据哈大客运专线季节冻土区的地质及气候条件,采用有限元数值仿真方法分析路基基床表层采用水泥稳定级配碎石和在路基边坡加设保温护坡后对路基温度场的影响.并将分析结果与哈大客运专线的现场实测结果进行了对比,验证了有限元数值仿真结果的可靠性,分析结果表明：在基床表层换填水泥稳定级配碎石,同时在路基边坡铺设3.0 m高、2.5 m宽的保温护坡后可以有效缓解路基的冻胀,与无任何保温措施的普通路基相比,路基中心处的最大冻结深度减小了0.5 m,路肩处的最大冻结深度减小了1.1 m.     

拱北隧道管幕冻结法温度场数值计算

以港珠澳大桥珠海连接段拱北隧道为工程实例,研究管幕冻结法的温度场发展规律,基于二维多孔介质传热理论,采用有限元软件COMSOL对积极冻结期的实际工况进行数值计算,模拟结果通过现场实测验证,研究了温度场在异形冻结管开启前后的发展与分布规律。结果表明：冻结30 d时,实顶管完全被冻土包裹,并且顶管之间开始形成连续的冻土帷幕;冻结50 d时,空顶管被冻土完全包裹;冻结90 d时,实顶管和空顶管处冻土帷幕厚度达到2.0 m,满足设计要求。在异形冻结管开启前、开启后10 d内和开启后10~20 d内,两顶管间中点处温度测点的平均温度变化速率分别为-0.86℃/d,-0.88℃/d和-0.25℃/d,之后各测点温度趋于稳定,进而形成温度较为均匀的冻土帷幕。研究成果可为类似冻结工程提供技术参考。     

多年冻土区姜路岭隧道施工水热力数值研究

姜路岭隧道地处青藏高原多年冻土地区,其高海拔、高寒、缺氧环境下多年冻土及软弱大变形围岩的公路隧道设计施工技术属国内乃至亚洲首例,也是共（和）玉（树）高速公路重难点控制性工程。为研究姜路岭隧道施工过程中的水热力（变形）状态及其演变,采用冻土工程水热力耦合计算理论及数值仿真程序,模拟了该隧道三个关键施工步骤的水热力分布规律,以此提出了隧道修建过程中的重点监测位置及注意事项。研究成果可为姜路岭多年冻土隧道的设计施工提供理论指导和技术支持,进而为类似寒区隧道工程的设计和施工提供参考依据。     

深埋长引水隧洞对电站下游水温的影响

引水式水电站深埋长引水隧洞对电站下游水温的影响直接关系到下游水生物生境.采用k-ε模型,结合能量传输方程建立了引水隧洞三维水温预测模型,并在利用原型观测资料验证模型的基础上,对拟建的锦屏二级引水隧洞的水温进行了预测.预测结果表明,由于雅砻江上拟建的锦屏二级隧洞洞径与过流量较大,水流在隧洞内滞流时间短,水温升高不明显.由于模型采用隧洞实际空间布置数据,建立包括混凝土衬砌区域在内的三维空间计算域,同时考虑温度场与流场的相互影响,实现了对温度场的精确模拟,从而可为水电站设计和水生物保护提供科学依据.     

浅埋偏压隧道洞口施工技术及稳定性分析研究

龙潭隧道是沪－蓉高速公路工程的控制性工程。地质条件复杂,集浅埋、偏压、涌水、涌泥、岩爆等地质问题于一身,是典型的复杂条件下的长大公路隧道。隧道洞口段处在浅埋偏压段时,施工难度相当大。从隧道开挖与支护的安全性出发,论述了浅埋偏压隧道的设计与施工情况。以右线出洞口为例,采用三维快速拉格朗日差分法(FLAC3D),对其施工开挖过程及支护进行了模拟。通过对开挖支护后围岩的应力场、位移场及塑性区特征的分析,得出了一些建设性的结论,对工程的施工具有指导意义。